基于带通匹配网络理论的宽带高效率功放设计_董磊
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the help of Load-Pull technology and realize broadband matching with distributed band-pass network. Based
on the methodology, using the GaN HEMT CGH40010 from CREE, simulation is performed. The results indicate that within 2 GHz-4 GHz, Power Adding Efficiency excels 50%, Delivered Power is higher than 38.9 dBm and Gain Ripple is less than 2 dB as the Drain Bias and Power Drive sets to 28 V and 27.5 dBm respectively. Hence, the methodology is well verified.
L2
C2
络 g 值的闭式解[4]。以上述理论为基础，设计出负载网络
Req
的低通原型，在 0~2 GHz 范围内匹配到最佳阻抗值，并
C1
L1
C3 L3
R4
将 低 通 原 型 变 为 2 GHz~4 GHz 的 带 通 模 型 。 根 据
(b) equivalent band-pass model
Bode-Fano 准则，相较于涵盖 0~4 GHz 的低通宽带网络， 2 GHz~4 GHz 的带通网络在实现高效的指标方面有更大 的自由度。图 4 分别展示了基于集总参数实现的宽带低
Fig.4 Low-pass model for broadband match network and equivalent band-pass model
图 4 宽带匹配网络低通原型和带通模型
ZL_opt = 13.006 + j∗ 5.296
(1)
ZS_opt = 8.536 − j∗12.324
(2)
表 1 分别给出了设定为最佳匹配点时功放在 2 GH~4 GHz 范围内几个频点的功率附加效率及输出功率。由此
可见对于最佳匹配点选择是成功的。
(a) optimal load impedance within band
CGH40010 大信号模型，在 ADS 环境中进行源牵引与负载牵引，此处谐波阻抗全设为短路状态。图 1(a)给出了
负载基波阻抗为 50 Ω 时，2,2.5,3,3.5 以及 4 GHz 上的最佳源阻抗，并用曲线指示出其在整个带宽内的变化趋势。
无疑，选择靠近这条曲线中段某点作为最佳负载匹配点能够在 2 GH~4 GHz 内较好地达到效率、带宽折中的目的。
Fig.1 Optimal load impedance and optimal source impedance
图 1 最佳负载阻抗与最佳源阻抗
1.2 二次谐波阻抗的影响
谐 波 类 功 放 的 设 计 理 论 指 出 ：除 了 基 波 阻 抗 外 ，二 次 谐 波 阻 抗 的 值 对 功 放 效 率 也 会 产 生 影 响 ，通 过 仿 真 可 以 很清楚地看到这种影响。图 2 给出频率处于 2 GHz，对负载二次谐波阻抗进行牵引时，功率附加效率相应的变化 曲线。不难看出，当二次谐波的反射系数相位处于附近，效率有明显的恶化。
Req
Ceq or (C1)
C3
the Broadband Matching of Arbitrary Impedance”的技术报
(a) low-pass model for broadband match network
告中，R M Fano 提出了 1 套基于集总元件实现的宽带匹 配网络设计方法[3]。2009 年 Dale E Dawson 给出了相应网
另 外 ，最 佳 负 载 匹 配 点 也 应 使 得 工 作 带 宽 内 的 最 佳 源 阻 抗 相 对 集 中 。确 定 好 了 负 载 匹 配 后 ，可 以 依 循 同 样 的 原 则
得到源匹配点的值。图 1(b)给出的是当时，2 GH~4 GHz 内的最佳负载阻抗。
最终，得到实现宽带高效的最佳匹配点：
第9卷 第4期 2011 年 8 月
信息与电子工程
INFORMATION AND ELECTRONIC ENGINEERING
Vo1．9，No．4 Aug．，2011
文 章 编 号 ： 16 7 2 - 2 89 2 ( 2 0 11 ) 0 4- 0 4 4 9- 0 4
基于带通匹配网络理论的宽带高效率功放设计
1 宽带高效率功放的设计方法
有 源 器 件 的 许 多 参 数 与 频 率 相 关 ，很 大 程 度 地 限 制 了 其 频 带 宽 度 。尤 其 在 较 高 频 率 时 ，它 的 内 部 反 馈 及 寄 生 参 量 影 响 很 大 ，晶 体 管 特 性 会 在 较 宽 的 频 率 范 围 内 有 较 大 变 化 ，通 过 牵 引 法 得 到 的 高 效 率 最 佳 源 阻 抗 与 负 载 阻 抗 也会随频率变化。实现宽带高效功放的一种最直接思路是设计出的匹配网络所呈现的阻抗能够顺应这种变化趋 势 ，以 得 到 每 个 频 点 的 最 高 效 率 [ 2]；然 而 满 足 相 应 要 求 的 匹 配 网 络 一 般 难 于 实 现 。另 一 种 思 路 则 是 选 择 一 组 源 阻 抗 与 负 载 阻 抗 值 作 为 实 现 宽 带 高 效 的 最 佳 匹 配 点 ，使 在 这 组 阻 抗 条 件 下 ，功 放 在 所 关 注 的 频 段 内 均 达 到 较 高 效 率 。 这 样 ，设 计 难 点 就 转 化 为 宽 带 匹 配 网 络 的 实 现 ，即 设 计 的 输 入 输 出 网 络 在 工 作 带 宽 内 均 要 表 现 出 最 佳 匹 配 点 的 值 。
收稿日期：2010-06-28；修回日期：2010-12-29 基金项目：国家高技术研究发展 863 计划资助项目(60572161)
450
信息与电子工程
第9卷
1.1 确定实现宽带高效的最佳匹配点
设计 2 GHz~4 GHz 高效率功放的第一步就是找到最佳源阻抗与负载阻抗。基于 CREE 公司提供的 GaN HEMT
f/GHz
PAE/(% at Zopt)
Pout/(dBm at Zopt)
2.0
52.6
40.9
2.5
58.5
41.1
3.0
61.9
40.9
3.5
60.6
40.2
4.0
60.1
39.4
indep(PAE_contours_p) (0.000 to 94.000)
indep(PAE_contours_p) (0.000 to 55.000)
具体针对本文设计的功放来讲，有更特殊的情况。工作带宽要求从 2 GHz 到 4 GHz，达到一个倍频程，这也
意味着 2 GHz 的二次谐波阻抗即是 4 GHz 的基波阻抗，而 1.1 节给出的最佳匹配点是在谐波阻抗均为短路的条件
下得到的。因此，2 GHz 处的效率必然将偏离预期值。将二次谐波阻抗值设为与基波阻抗相同后，进行仿真，得
(3)
ZS_opt = 7.397 − j∗12.585
(4)
通过仿真可验证新的最佳匹配点，使得功放在频带内的功率附加效率保持在 50%以上。
第4期
董 磊等：基于带通匹配网络理论的宽带高效率功放设计
451
2 带通宽带匹配网络的实现 L2
2.1 基于集总参数的带通宽带匹配网络
宽带匹配网络的实现是宽带高效功放设计的关键。 在 1948 年所撰写的 1 份题为“Theoretical Limitations on
到图 3 的结果：功率附加效率仅有 41.4%，下降了近 11 个百分点。
1.3 最佳匹配点的修正
考虑到二次谐波阻抗对效率的影响，在 2 GHz 此频点处进行源和负载牵引时，应将二次谐波阻抗设为与基
波阻抗相同，再采用 1.1 节描述的方法重新确定最佳匹配点。得到修正后的最佳匹配点为：
ZL_opt = 21.85 + j∗10.161
2 GHz~4 GHz 频率范围内功率附加效率优于 50%，输出功率高于 38.9 dBm，带内增益波动小于 2 dB，
验证了此方法的有效性。
关键词：功率放大器；宽带；高效率；集总电路的微带等效
中 图 分 类 号 ： TN722.7+5
文献标识码：A
Design of a high-efficiency broadband power amplifier based on band-pass match network theory
Key words：power amplifier；broadband；high efficiency；micro-strip equivalent of lumped circuit
在射频应用领域，常要求电路能够工作在较宽的频率范围。例如，军事上有工作于 225 MHz~400 MHz 的雷 达收发系统[1]，以确保快速、便捷；在民用方面，为了降低整改组网的成本，蜂窝通信系统中的基站往往也有宽 带 的 需 求 。而 作 为 发 射 机 的 关 键 元 件 ，功 率 放 大 器 直 接 影 响 着 包 括 工 作 带 宽 在 内 的 整 个 射 频 系 统 的 性 能 指 标 。因 此 ，宽 带 高 效 放 大 器 的 设 计 一 直 是 射 频 领 域 的 研 究 热 点 。传 统 的 宽 带 功 率 放 大 器 一 般 采 用 低 通 匹 配 网 络 实 现 ，这 样的方法针对于只需覆盖部分通信频段的设计要求(例如 2 GH~4 GHz)并不是最佳解决方案。所以，本文提出了 一种基于带通匹配网络理论的宽带高效功放设计方法。
40.5 1.90 1.95 2.00 2.05 2.10
RF f/GHz
Fig.2 Impact of second harmonic impedance on efficiency 图 2 二次谐波阻抗对效率的影响
Fig.3 Impact of over-octave width design on efficiency 图 3 跨倍频设计对效率的影响
董 磊，何松柏，雷 奇
(电子科技大学 集成电路与系统系，四川 成都 610054)
摘 要：针对超宽带(2 GHz~4 GHz)高效率功放的设计要求，提出了一种可行的实现方法：采
用 Load-Pull 技术确定最佳输入输出阻抗，并利用基于传输线的带通网络完成了宽带匹配。基于此
方法，采用 CREE 公司 GaN HEMT CGH40010 进行实际仿真，在输入为 27.5 dBm，偏置为 28 V 时，
55
55
50
50
PAE concerning second harmonic 43.0
42.5
PAE/(%)
PAE/(%) PAE/(%)
45
45
42.0
41.5
40
40
41.0
35 -200
-100
0Baidu Nhomakorabea
100
phase(Gamma_l_2)
35
200
0
0.2 0.4
0.6 0.8 1.0
mag(Gamma_l_2)
DONG Lei，HE Song-bai，LEI Qi
(Integrated Circuits and Systems Department，UESTC，Chengdu Sichuan 610054，China)
Abstract：Concerning the design goal of a highly efficient power amplifier working across 2 GHz-4 GHz, this paper proposes an available design methodology: to select the optimal input and output impedance with
(b) optimal source impedance within band
PAE contours PAE contours
2 GHz 4 GHz
2 GHz 4 GHz
表 1 最佳匹配点条件下的功率附加效率和输出功率
Table1 PAE and Pout at the best match point
on the methodology, using the GaN HEMT CGH40010 from CREE, simulation is performed. The results indicate that within 2 GHz-4 GHz, Power Adding Efficiency excels 50%, Delivered Power is higher than 38.9 dBm and Gain Ripple is less than 2 dB as the Drain Bias and Power Drive sets to 28 V and 27.5 dBm respectively. Hence, the methodology is well verified.
L2
C2
络 g 值的闭式解[4]。以上述理论为基础，设计出负载网络
Req
的低通原型，在 0~2 GHz 范围内匹配到最佳阻抗值，并
C1
L1
C3 L3
R4
将 低 通 原 型 变 为 2 GHz~4 GHz 的 带 通 模 型 。 根 据
(b) equivalent band-pass model
Bode-Fano 准则，相较于涵盖 0~4 GHz 的低通宽带网络， 2 GHz~4 GHz 的带通网络在实现高效的指标方面有更大 的自由度。图 4 分别展示了基于集总参数实现的宽带低
Fig.4 Low-pass model for broadband match network and equivalent band-pass model
图 4 宽带匹配网络低通原型和带通模型
ZL_opt = 13.006 + j∗ 5.296
(1)
ZS_opt = 8.536 − j∗12.324
(2)
表 1 分别给出了设定为最佳匹配点时功放在 2 GH~4 GHz 范围内几个频点的功率附加效率及输出功率。由此
可见对于最佳匹配点选择是成功的。
(a) optimal load impedance within band
CGH40010 大信号模型，在 ADS 环境中进行源牵引与负载牵引，此处谐波阻抗全设为短路状态。图 1(a)给出了
负载基波阻抗为 50 Ω 时，2,2.5,3,3.5 以及 4 GHz 上的最佳源阻抗，并用曲线指示出其在整个带宽内的变化趋势。
无疑，选择靠近这条曲线中段某点作为最佳负载匹配点能够在 2 GH~4 GHz 内较好地达到效率、带宽折中的目的。
Fig.1 Optimal load impedance and optimal source impedance
图 1 最佳负载阻抗与最佳源阻抗
1.2 二次谐波阻抗的影响
谐 波 类 功 放 的 设 计 理 论 指 出 ：除 了 基 波 阻 抗 外 ，二 次 谐 波 阻 抗 的 值 对 功 放 效 率 也 会 产 生 影 响 ，通 过 仿 真 可 以 很清楚地看到这种影响。图 2 给出频率处于 2 GHz，对负载二次谐波阻抗进行牵引时，功率附加效率相应的变化 曲线。不难看出，当二次谐波的反射系数相位处于附近，效率有明显的恶化。
Req
Ceq or (C1)
C3
the Broadband Matching of Arbitrary Impedance”的技术报
(a) low-pass model for broadband match network
告中，R M Fano 提出了 1 套基于集总元件实现的宽带匹 配网络设计方法[3]。2009 年 Dale E Dawson 给出了相应网
另 外 ，最 佳 负 载 匹 配 点 也 应 使 得 工 作 带 宽 内 的 最 佳 源 阻 抗 相 对 集 中 。确 定 好 了 负 载 匹 配 后 ，可 以 依 循 同 样 的 原 则
得到源匹配点的值。图 1(b)给出的是当时，2 GH~4 GHz 内的最佳负载阻抗。
最终，得到实现宽带高效的最佳匹配点：
第9卷 第4期 2011 年 8 月
信息与电子工程
INFORMATION AND ELECTRONIC ENGINEERING
Vo1．9，No．4 Aug．，2011
文 章 编 号 ： 16 7 2 - 2 89 2 ( 2 0 11 ) 0 4- 0 4 4 9- 0 4
基于带通匹配网络理论的宽带高效率功放设计
1 宽带高效率功放的设计方法
有 源 器 件 的 许 多 参 数 与 频 率 相 关 ，很 大 程 度 地 限 制 了 其 频 带 宽 度 。尤 其 在 较 高 频 率 时 ，它 的 内 部 反 馈 及 寄 生 参 量 影 响 很 大 ，晶 体 管 特 性 会 在 较 宽 的 频 率 范 围 内 有 较 大 变 化 ，通 过 牵 引 法 得 到 的 高 效 率 最 佳 源 阻 抗 与 负 载 阻 抗 也会随频率变化。实现宽带高效功放的一种最直接思路是设计出的匹配网络所呈现的阻抗能够顺应这种变化趋 势 ，以 得 到 每 个 频 点 的 最 高 效 率 [ 2]；然 而 满 足 相 应 要 求 的 匹 配 网 络 一 般 难 于 实 现 。另 一 种 思 路 则 是 选 择 一 组 源 阻 抗 与 负 载 阻 抗 值 作 为 实 现 宽 带 高 效 的 最 佳 匹 配 点 ，使 在 这 组 阻 抗 条 件 下 ，功 放 在 所 关 注 的 频 段 内 均 达 到 较 高 效 率 。 这 样 ，设 计 难 点 就 转 化 为 宽 带 匹 配 网 络 的 实 现 ，即 设 计 的 输 入 输 出 网 络 在 工 作 带 宽 内 均 要 表 现 出 最 佳 匹 配 点 的 值 。
收稿日期：2010-06-28；修回日期：2010-12-29 基金项目：国家高技术研究发展 863 计划资助项目(60572161)
450
信息与电子工程
第9卷
1.1 确定实现宽带高效的最佳匹配点
设计 2 GHz~4 GHz 高效率功放的第一步就是找到最佳源阻抗与负载阻抗。基于 CREE 公司提供的 GaN HEMT
f/GHz
PAE/(% at Zopt)
Pout/(dBm at Zopt)
2.0
52.6
40.9
2.5
58.5
41.1
3.0
61.9
40.9
3.5
60.6
40.2
4.0
60.1
39.4
indep(PAE_contours_p) (0.000 to 94.000)
indep(PAE_contours_p) (0.000 to 55.000)
具体针对本文设计的功放来讲，有更特殊的情况。工作带宽要求从 2 GHz 到 4 GHz，达到一个倍频程，这也
意味着 2 GHz 的二次谐波阻抗即是 4 GHz 的基波阻抗，而 1.1 节给出的最佳匹配点是在谐波阻抗均为短路的条件
下得到的。因此，2 GHz 处的效率必然将偏离预期值。将二次谐波阻抗值设为与基波阻抗相同后，进行仿真，得
(3)
ZS_opt = 7.397 − j∗12.585
(4)
通过仿真可验证新的最佳匹配点，使得功放在频带内的功率附加效率保持在 50%以上。
第4期
董 磊等：基于带通匹配网络理论的宽带高效率功放设计
451
2 带通宽带匹配网络的实现 L2
2.1 基于集总参数的带通宽带匹配网络
宽带匹配网络的实现是宽带高效功放设计的关键。 在 1948 年所撰写的 1 份题为“Theoretical Limitations on
到图 3 的结果：功率附加效率仅有 41.4%，下降了近 11 个百分点。
1.3 最佳匹配点的修正
考虑到二次谐波阻抗对效率的影响，在 2 GHz 此频点处进行源和负载牵引时，应将二次谐波阻抗设为与基
波阻抗相同，再采用 1.1 节描述的方法重新确定最佳匹配点。得到修正后的最佳匹配点为：
ZL_opt = 21.85 + j∗10.161
2 GHz~4 GHz 频率范围内功率附加效率优于 50%，输出功率高于 38.9 dBm，带内增益波动小于 2 dB，
验证了此方法的有效性。
关键词：功率放大器；宽带；高效率；集总电路的微带等效
中 图 分 类 号 ： TN722.7+5
文献标识码：A
Design of a high-efficiency broadband power amplifier based on band-pass match network theory
Key words：power amplifier；broadband；high efficiency；micro-strip equivalent of lumped circuit
在射频应用领域，常要求电路能够工作在较宽的频率范围。例如，军事上有工作于 225 MHz~400 MHz 的雷 达收发系统[1]，以确保快速、便捷；在民用方面，为了降低整改组网的成本，蜂窝通信系统中的基站往往也有宽 带 的 需 求 。而 作 为 发 射 机 的 关 键 元 件 ，功 率 放 大 器 直 接 影 响 着 包 括 工 作 带 宽 在 内 的 整 个 射 频 系 统 的 性 能 指 标 。因 此 ，宽 带 高 效 放 大 器 的 设 计 一 直 是 射 频 领 域 的 研 究 热 点 。传 统 的 宽 带 功 率 放 大 器 一 般 采 用 低 通 匹 配 网 络 实 现 ，这 样的方法针对于只需覆盖部分通信频段的设计要求(例如 2 GH~4 GHz)并不是最佳解决方案。所以，本文提出了 一种基于带通匹配网络理论的宽带高效功放设计方法。
40.5 1.90 1.95 2.00 2.05 2.10
RF f/GHz
Fig.2 Impact of second harmonic impedance on efficiency 图 2 二次谐波阻抗对效率的影响
Fig.3 Impact of over-octave width design on efficiency 图 3 跨倍频设计对效率的影响
董 磊，何松柏，雷 奇
(电子科技大学 集成电路与系统系，四川 成都 610054)
摘 要：针对超宽带(2 GHz~4 GHz)高效率功放的设计要求，提出了一种可行的实现方法：采
用 Load-Pull 技术确定最佳输入输出阻抗，并利用基于传输线的带通网络完成了宽带匹配。基于此
方法，采用 CREE 公司 GaN HEMT CGH40010 进行实际仿真，在输入为 27.5 dBm，偏置为 28 V 时，
55
55
50
50
PAE concerning second harmonic 43.0
42.5
PAE/(%)
PAE/(%) PAE/(%)
45
45
42.0
41.5
40
40
41.0
35 -200
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0Baidu Nhomakorabea
100
phase(Gamma_l_2)
35
200
0
0.2 0.4
0.6 0.8 1.0
mag(Gamma_l_2)
DONG Lei，HE Song-bai，LEI Qi
(Integrated Circuits and Systems Department，UESTC，Chengdu Sichuan 610054，China)
Abstract：Concerning the design goal of a highly efficient power amplifier working across 2 GHz-4 GHz, this paper proposes an available design methodology: to select the optimal input and output impedance with
(b) optimal source impedance within band
PAE contours PAE contours
2 GHz 4 GHz
2 GHz 4 GHz
表 1 最佳匹配点条件下的功率附加效率和输出功率
Table1 PAE and Pout at the best match point